光纖傳感及其在管道監(jiān)測(cè)中應(yīng)用研究

李先良

【摘 要】作為能源運(yùn)輸?shù)闹匾橘|(zhì)，管道危險(xiǎn)性較高，具有易燃、易爆和易腐蝕等特點(diǎn)，如果出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果，因此，油氣管道安全運(yùn)行管理工作非常重要。為確保管道的安全性，必須加強(qiáng)管道監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道損傷問(wèn)題。光纖傳感技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)作用，在管道監(jiān)測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并探討了光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感；管道監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

引言：

長(zhǎng)輸油氣管道是國(guó)家重點(diǎn)工程之一，關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展，同時(shí)也是滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枰墓迷O(shè)施，其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性直接影響到國(guó)家能源安全。全面保證長(zhǎng)輸油氣管道運(yùn)行安全，有利于維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。目前，管道通常采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如管體腐蝕和焊接缺陷檢測(cè)、油氣管道內(nèi)外檢測(cè)等，但無(wú)損檢測(cè)技術(shù)采用的是離線檢測(cè)方式，無(wú)法對(duì)管道缺陷引發(fā)的侵害提前予以識(shí)別并進(jìn)行報(bào)警，來(lái)防止損害發(fā)生。隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)得到應(yīng)用，具有分布式、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優(yōu)點(diǎn)，成為管道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

一、光纖傳感技術(shù)分析

（一）基本原理

光纖是光導(dǎo)型纖維材料的總稱，具備尺寸小、質(zhì)量輕便、安裝條件寬泛、使用年限長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，制作原材料類型豐富，便于鋪設(shè)及市場(chǎng)推廣，不僅能保護(hù)環(huán)境，減少金屬資源浪費(fèi)，還能節(jié)約成本投入。光纖傳感技術(shù)是以光波為載體、光纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界被測(cè)信號(hào)的新型傳感技術(shù)。光纖傳感技術(shù)的基本原理為：將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)光纖送入探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后獲得被測(cè)參數(shù)。

（二）技術(shù)特點(diǎn)

第一，抗干擾性，光纖傳感技術(shù)在信號(hào)傳播過(guò)程中不會(huì)受到任何的電磁干擾，也不會(huì)給外界的電磁場(chǎng)造成影響，非常安全可靠，這些特點(diǎn)使光纖傳感技術(shù)在惡劣環(huán)境中、油氣管道中、高壓高溫和強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能進(jìn)行快速準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸；第二，靈敏性，長(zhǎng)光纖和光波干涉技術(shù)的靈敏度要比一般的傳感器高，實(shí)踐證明，在測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)、水聲、加速度、位移、溫度、磁場(chǎng)等物理量時(shí)，光纖傳感技術(shù)具有較高的靈敏度；第三，功能強(qiáng)大，光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于油氣管道中，可以監(jiān)測(cè)各種參數(shù)，包括溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量。

（三）常見(jiàn)技術(shù)

第一，分布式光纖傳感技術(shù)，利用感測(cè)光纜對(duì)沿光纖分布的被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí)獲取被測(cè)量的空間分布狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)信息，OTDR技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)，如圖1所示，它的基本原理是光源發(fā)出的光在沿光纖向前傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生后向散射，后向散射光強(qiáng)在向后傳播過(guò)程中隨著距離增長(zhǎng)而按一定規(guī)律衰減，在光速不變的情況下，距離與時(shí)間成正比，因此，根據(jù)探測(cè)器探測(cè)到的后向散射光強(qiáng)及其到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間，就可以知道沿光纖路徑上任一點(diǎn)的初始后向散射光強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖線路監(jiān)測(cè)問(wèn)題點(diǎn)的定位；第二，光纖光柵傳感技術(shù)，該技術(shù)近些年在國(guó)內(nèi)外傳感領(lǐng)域都受到極大關(guān)注，光纖光柵是纖芯中具有折射率周期性變化結(jié)構(gòu)的光纖，因而具備光波波長(zhǎng)選擇功能，基于光纖光柵傳感開(kāi)發(fā)的主要產(chǎn)品有光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，其折射率、調(diào)制深度和光柵周期都是常數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非傳導(dǎo)性、波長(zhǎng)編碼、高靈敏度、高分辨率等諸多優(yōu)點(diǎn)；第三，光纖智能化傳感，隨著新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn)，特別是光纖傳感、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展及融合交叉，極大促進(jìn)了光纖傳感及相關(guān)領(lǐng)域的智能化發(fā)展，如使用單片機(jī)、虛擬儀器及多層次計(jì)算等實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)控制處理，同時(shí)，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展，光子晶體光纖促進(jìn)光子晶體的發(fā)展等。

二、光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

（一）管道運(yùn)行現(xiàn)狀分析

從目前管道安全運(yùn)行管理的主要問(wèn)題來(lái)看，管道腐蝕及破裂絕對(duì)是其中最為嚴(yán)重的問(wèn)題。埋藏在地下的管道一旦遭遇酸性土壤，管道被氧化的程度將會(huì)大大增加，很容易出現(xiàn)管道腐蝕的情況，而那些暴露在野外的管道，更是受到酸雨等自然因素的侵蝕。由于長(zhǎng)輸油氣管道通常所處的土壤環(huán)境都非常復(fù)雜，并且輸送的油氣資源的腐蝕性也很強(qiáng)。因此，不管是長(zhǎng)距離輸送油氣的管道內(nèi)壁還是外壁都極易被腐蝕，如果出現(xiàn)腐蝕穿孔的情況，就會(huì)造成大量油氣泄漏，這不僅會(huì)導(dǎo)致輸送中斷，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。

（二）光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.管道應(yīng)變/變形監(jiān)測(cè)

油氣管道傳輸距離長(zhǎng)，冷熱變形量大，在長(zhǎng)期服役過(guò)程中容易受到地質(zhì)災(zāi)害，如地基沉降、沿線滑坡、凍脹融沉等不利因素而引起變形，因此需要對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)。分布式光纖傳感技術(shù)采用光纜作為傳感和信號(hào)傳輸元件，當(dāng)有外界因素對(duì)光纜和管道產(chǎn)生作用時(shí)，會(huì)引起光纖產(chǎn)生一定的應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纜長(zhǎng)度和纖芯折射率發(fā)生變化。當(dāng)光纜中有光通過(guò)時(shí)，則會(huì)使得光信號(hào)相位等參數(shù)發(fā)生變化，傳感光纜把這種相位變化信息傳輸至信號(hào)處理中心并進(jìn)行處理，得到傳感光纜周圍的外界作用變化和作用點(diǎn)，從而對(duì)外界作用事件進(jìn)行監(jiān)控。分布式光纖管道監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于長(zhǎng)距離、低靈敏度的靜態(tài)監(jiān)測(cè)，因此對(duì)了解管道結(jié)構(gòu)性能的整體變化趨勢(shì)較為適用。

2.管道泄露監(jiān)測(cè)

管道由于人為穿孔或破壞引起的泄漏，不僅造成自然資源的浪費(fèi)、環(huán)境污染，而且容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故，危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)泄漏及其位置具有重大意義。溫度、壓力和流量是對(duì)流體管道進(jìn)行漏泄檢測(cè)、泄漏定位和生產(chǎn)控制所需要的基本數(shù)據(jù)。對(duì)于輸油/氣管道或熱力管道，當(dāng)高溫、高壓的液體泄漏時(shí)會(huì)導(dǎo)致周圍的溫度升高，而氣體泄漏時(shí)周圍溫度將降低，根據(jù)這一性質(zhì)可將光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)和分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)應(yīng)用到管道泄漏檢測(cè)中。結(jié)合熱力管道泄漏處的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，利用FBG溫度傳感器的溫度特性可以對(duì)熱力管道關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。

三、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，管道輸運(yùn)是現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，具有運(yùn)量大、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)、占地少、費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為五大運(yùn)輸方式之一。由于油氣的高壓、易燃特性，對(duì)運(yùn)輸管道要求特別高，管道事故一旦發(fā)生就會(huì)給社會(huì)造成巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。因此，相關(guān)單位要積極應(yīng)用光纖傳感技術(shù)加強(qiáng)管道監(jiān)測(cè)，對(duì)管道事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行精確定位，進(jìn)而確保管道運(yùn)輸安全。

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